本发明专利技术公开了一种基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，包括：(1)按照1Hz重复频率对冷腔推导光往返一周的abcd矩阵，并计算其几何放大率；(2)测量不同重复频率时的热透镜焦距；(3)固定谐振腔中输出镜和原全反镜到晶体端面的距离，将原全反镜替换为平面全反镜；(4)按照不同重复频率对应的热透镜焦距，对补偿腔推导光往返一周的ABCD矩阵，并计算其几何放大率；(5)将平面全反镜与晶体左端面的距离设为变量，令补偿腔的几何放大率与冷腔相等，计算出对应平面全反镜与晶体左端面的距离；(6)按照平面全反镜与晶体左端面的距离搭建最终的补偿非稳腔，完成热透镜补偿。本发明专利技术采用简单的操作实现不同重复频率对应热透镜焦距的动态补偿。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及固体激光，尤其是涉及一种基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法。
技术介绍
1、大能量、高光束质量的激光在工业、军事以及生物医疗等领域均有着广泛的应用，例如工业加工焊接、军事武器对抗、光声成像探测等。这类光束通常由不稳定谐振器产生。利用稳定腔产生高光束质量激光通常需要牺牲激光能量，而非稳腔可产生大的基模体积并拥有很强的模式鉴别能力，因此很容易从中获得大能量、高光束质量的激光。
2、适用于大能量非稳腔的常用腔型例如棒成像腔、近共心腔以及正分支共焦腔。前两种腔型优势在于其受热透镜效应的影响较小，但二者腔内均存在焦点，当操作不当或者进行调q时均容易造成腔内元器件的损伤。正分支共焦腔的腔内不存在焦点，并可以产生自动准直的输出光束，理想状态下发散角很小。但是这种腔型对热透镜的变化很敏感，使得谐振腔的放大率很容易随着热效应变强而降低，最终导致输出光束质量恶化。
3、传统的热补偿方法通常将非稳腔的全反镜与热透镜组合等效，将原全反镜替换为等效曲率后的新全反镜，从而实现热透镜的补偿。这种方法用到的补偿镜通常为曲率较大的凹面或凸面镜，加工难度较大、定制周期长、成本高并且仅能针对特定热透镜焦距进行静态补偿。
4、一篇刊登在《物理学报》2000，49(8)：1495～1498、题为“可自适应补偿热透镜效应的固体激光谐振腔”文献中，在激光谐振腔内加入一个短焦距透镜，固定于激光棒一端，激光棒热透镜位于该短焦距透镜的焦点处，二者组成一个透镜组。短焦距透镜被设计为能够补偿激光器在正常工作温度下所产生的热透镜效应。</p>5、然而，实际的应用中谐振器通常需要工作于不同重复频率，热透镜焦距也会随之动态变化。如何利用更易获取的元件、更简易的装置实现热透镜的动态精确补偿，是目前大能量、高光束质量激光应用领域中的重要问题之一。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，可以利用简易获取的元件与装置，实现在不同重复频率下精确补偿对应的热透镜焦距，从而保证大能量、高光束质量的激光输出。
2、一种基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，包括以下步骤：
3、(1)将不含热透镜的谐振腔定义为冷腔，按照1hz重复频率，对冷腔推导光从原全反镜向右传播往返一周返回原全反镜的abcd矩阵，并计算冷腔的几何放大率；
4、(2)测量不同重复频率时的热透镜焦距；
5、(3)固定谐振腔中输出镜和原全反镜到晶体端面的距离，将原全反镜替换为平面全反镜，在该谐振腔中设置热透镜并定义为补偿腔；
6、(4)按照不同重复频率对应的热透镜焦距，对补偿腔推导光从平面全反镜向右传播往返一周返回平面全反镜的abcd矩阵，并计算补偿腔的几何放大率；
7、(5)将平面全反镜与晶体左端面的距离设为变量，令补偿腔的几何放大率与冷腔相等，进一步计算出对应平面全反镜与晶体左端面的距离；
8、(6)按照平面全反镜与晶体左端面的距离搭建最终的补偿非稳腔，完成热透镜补偿。
9、步骤(1)中，谐振腔中仅含晶体时，abcd矩阵表示为：
10、
11、式中，r1和r2分别为输出镜和原全反镜的曲率半径，l1和l2分别为输出镜到晶体右端面和原全反镜到晶体左端面的距离，l为晶体长度，n为晶体折射率。
12、计算冷腔的几何放大率，公式为：
13、
14、式中，g1由冷腔的abcd矩阵得到：g1＝(a+d)/2。
15、步骤(2)中，采用侧面泵浦方式测量不同重复频率时的热透镜焦距，具体为：
16、在最大脉冲能量下将一束准直扩束后的he-ne激光束注入到泵浦的晶体棒中，不同重复频率下的热透镜焦距通过测量出射he-ne激光的焦点位置来获得。
17、步骤(4)中，当热透镜为薄透镜且位于晶体中心时，abcd矩阵表示为：
18、
19、式中，r1为输出镜的曲率半径，l1和l3分别为输出镜到晶体右端面和平面全反镜到晶体左端面的距离，l为晶体长度，n为晶体折射率，ft为晶体热透镜焦距。
20、计算补偿腔的几何放大率，公式为：
21、
22、其中，g2由补偿腔的abcd矩阵得到：g2＝(a+d)/2。
23、步骤(6)中，通过固定输出镜并调节平面全反镜与晶体左端面之间的距离，实现对不同重复频率对应热透镜焦距的动态补偿。
24、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
25、1、本专利技术借助谐振腔的abcd矩阵，将含有热透镜时非稳腔的几何放大率恢复与冷腔一致，有效地解决了因放大率下降导致非稳腔输出光束质量下降的现象。
26、2、相较于传统热透镜补偿方法，本专利技术中采用的平面全反镜相比大曲率凹面、凸面镜的获取难度更低、成本更低。
27、3、实际应用中光源通常需要工作于不同重复频率下，对应的热透镜焦距在不同应用场合中不断变化。本专利技术提出的平移平面全反镜改变其与晶体左端面之间距离的方式对于非稳腔的放大率改变范围较大，对于不同热透镜焦距均能找到相应的补偿位置。
28、4、本专利技术提出的动态补偿方法，操作简单可靠。引入最少且常见的元件，利用简单的操作便可完成不同热透镜焦距的补偿，因此更适合应用于同一光源的不同工作重复频率下。
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【技术保护点】
1.一种基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(1)中，谐振腔中仅含晶体时，abcd矩阵表示为：
3.根据权利要求2所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(1)中，计算冷腔的几何放大率，公式为：
4.根据权利要求1所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(2)中，采用侧面泵浦方式测量不同重复频率时的热透镜焦距，具体为：
5.根据权利要求1所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(4)中，当热透镜为薄透镜且位于晶体中心时，ABCD矩阵表示为：
6.根据权利要求5所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(4)中，计算补偿腔的几何放大率，公式为：
7.根据权利要求1所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(6)中，通过固定输出镜并调节平面全反镜与晶体左端面之间的距离，实现对不同重复频率对应热透镜焦距的动态补偿。
【技术特征摘要】
1.一种基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(1)中，谐振腔中仅含晶体时，abcd矩阵表示为：
3.根据权利要求2所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(1)中，计算冷腔的几何放大率，公式为：
4.根据权利要求1所述的基于非稳谐振腔的动态热透镜补偿方法，其特征在于，步骤(2)中，采用侧面泵浦方式测量不同重复频率时的热透镜焦距，具...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘崇，周逸伦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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